Das war 2012! - Highlights aus Optik und Mikroskopie
LEDs, Tarnkappen oder der Rover „Curiosity“ auf dem Mars mit jeder Menge optischer Messinstrumente an Bord, diese und andere Meldungen haben uns 2012 begeistert.
LEDs sind unaufhaltsam: in den vergangenen zwei Jahren hat sich die Leuchteffizienz kommerzieller LED-Lampen wieder einmal verdoppelt. Mit Standard-Glühbirnenfassungen versehen gibt es sie bereits zu kaufen, gleichzeitig wird noch immer an ihrer Effizienz geforscht und entwickelt. Eine Tarnkappe, so praktisch einsetzbar wie Bilbos Ring, brachte zwar auch das Jahr 2012 noch nicht hervor, doch noch reißen die neuen Meldungen auch aus diesem Forschungszweig nicht ab. Und – last but noch least – landete Anfang August der Rover „Curiosity“ auf dem Mars – mit jeder Menge optischer Messinstrumente an Bord.
Als Fahrradbeleuchtung gehören LEDs schon seit einigen Jahren zum Standard. Im Haushalt dagegen haben sie die Glüh- oder Energiesparbirne noch kaum abgelöst, ebensowenig die Straßenbeleuchtung. Dabei ließe sich alleine durch die Umstellung der Straßenlaternen in allen Kommunen Deutschlands die Energie eines Atomkraftwerkes einsparen, stellten kommunale Entscheidungsträger im April fest.
Auch staatenübergreifend wird mit EU-Geld die LED vorangetrieben: Im Juli erhielt die TU Braunschweig die Zusage über 3,8 Millionen Euro, um extrem effiziente LEDs zu entwickeln. Gecco lautet der Name des Forschungsprojekts, das sich zur Aufgabe gesetzt hat, LEDs nicht wie bisher schichtweise sondern nun dreidimensional aufzubauen. Mikrometergroße, die Fläche bedeckende Gallium-Nitrid-Säulen emittieren auf ihrer gesamten Oberfläche Licht. Die in die dritte Dimension hinein vergrößerte Abstrahlfläche führt dabei zu einer entsprechend stärkeren Lichtabstrahlung und ermöglicht damit wiederum eine Kosteneinsparung pro Lichtleistung.
Abb.: Die Osram Ostar Projection Cube LED fur Embedded Projection soll für brillant projizierte Farben aus dem Smartphone sorgen. (Bild: Osram)
Mehr gute Nachrichten aus der LED-Entwicklung kamen aus der Industrie: Da waren die von Osram Opto Semiconductors zum ersten Mal hergestellten blauen Gallium-Nitrid-LEDs auf günstigem Siliziumsubstrat sowie von BASF und Philips die OLED-Beleuchtung für’s Auto, die tagsüber zugleich ein durchsichtiges Autodach darstellt.
Eine echte Alternative zu LEDs und OLEDs stellen womöglich schon bald LECs dar, light-emitting electrochemical cells oder auf Deutsch: Licht emittierende elektrochemische Zellen. Damit wird eine flächige Beleuchtung möglich, Leuchtkacheln oder Leuchttapeten würden sich sicherlich nicht nur in schicken Bars gut machen. Eine stabile LEC aus drei Schichten stellten Forscher aus Schweden und Dänemark im August vor. Das Besondere: Sie war per simplem Rollruckverfahren hergestellt worden. Auf einem PET-Substrat brachten die Wissenschaftler zwischen Anode und Kathode eine aktive Schicht auf, bestehend aus einem leuchtenden Polymer, das mit einem Elektrolyten vermischt war. Die Leuchtkraft dieses Prototypen entspricht zwar nur in etwa der eines Laptop-Bildschirms – doch das soll bald gesteigert werden, hoffen die Forscher.
Und die Zukunft verspricht noch mehr schöne Produkte auf LED-Basis: Kleinste Projektoren, die sich in der Hand halten lassen und doch lichtstark genug sind, um ein Bild an die Wand zu werfen. Bisher haperte es an einer günstigen, lichtstarken LED im grünen Bereich, um das volle Farbspektrum darzustellen. Dennoch berichtete Osram bereits im Mai von der Entwicklung integrierter Projektoren für Smartphones und Kameras. Zwei geeignete grüne Laserdioden mit 30 und 50 Milliwatt optischer Leistung brachte Osram dann im Oktober auf den Markt.
So einiges an optischer Technik steckte auch im Marsrover Curiosity, der am 6. August glücklich auf unserem Nachbarplaneten landete. Am Prominentesten ist vielleicht die ChemCam, die bereits am 19. August erfolgreich zum Einsatz kam. Nachdem ein Laser des Rovers etwas Marsgestein in einem heißen Plasma verdampft, kann die ChemCam seine Zusammensetzung spektrometrisch analysieren und so Rückschlüsse auf die chemische Zusammensetzung der Marsoverfläche ziehen. Auch Infrarotsensoren aus Jena sind bei Curiosity mit an Bord. Sie können berührungslos die Bodentemperatur des Mars bestimmen, dabei in Echtzeit und auf ein Zehntel Kelvin genau Veränderungen bemerken.
Auf der Erde gibt es derweil Neues in Sachen Laser-Entwicklung. Dabei machten vor allem die ganz kleinen Schlagzeilen, darunter der nur nanometergroße Laser aus Galliumnitrid. Dieser wird noch unterboten von dem ersten Röntgenlaser auf Atom-Basis. Einzelne Neonatome erzeugen dabei ultrakurze Röntgenblitze, gleichzeitig ist die Wellenlänge des emittierten Lichts sehr stabil. Mit pump-probe-Experimenten lässt sich damit womöglich der zeitliche Verlauf chemischer Reaktionen abbilden.
Damit nicht genug Absonderliches: selbst einen Anti-Laser-Laser gab es im vergangenen Jahr zu vermelden. Dabei handelt es sich nicht nur um negative Interferenz zweier Laser; hinzu kommt noch ein Ausnahmezustand gegenseitiger Wechselwirkungen und Kopplungen, der sich wohl nur mathematisch verstehen lassen. Tatsächlich fanden die Forscher den Laserblackout, den sie im Labor zwischen zwei benachbarten Mikro-Lasern beobachtet hatten, auch in den Lasergleichungen wieder.
Abb.: Der von unten kommende Lichtstrahl biegt nach links ab. Dabei „heilt“ er sich selbst, wie die gepunktete Bahn zeigt: Wird der Strahl anfangs ausgeblendet, so bildet er sich nach kurzer Wegstrecke erneut. (Bild: I. Kaminer et al., PRL)
Ebenso skurril erscheint der Lichtstrahl, der von selbst die Biege macht. Auch hier muss der Physiker die Mathematik zu Rate ziehen. Dann zeigt sich, dass bestimmte Lösungen der Maxwell-Gleichungen tatsächlich auch im leeren Raum das Licht einen Kreisbogen beschreiben lassen; ganz ohne externe Einflüsse. Die Forscher aus Israel konnten dies sogar im Experiment bestätigen.
Ähnlich klang auf den ersten Blick die Meldung, dass sich mit inkohärentem Licht um die Ecke schauen ließe. Doch ging es hierbei um die Rekonstruktion einer Abbildung durch geschickte Phasenmodulation des Streulichts. Diese funktioniert sowohl in Transmission durch ein Medium – wie durch störende Luftturbulenzen bei astronomischen Beobachtungen – als auch in Reflexion, also nach der Streuung an einem rauen Medium wie beispielsweise einem Blatt Papier.
Und vermutlich kann kein Jahr ohne eine Meldung aus der Quantenverschränkung vergehen. Diesmal besteht der Rekord darin, dass Forscher um den bekannten Quantenverschränker Anton Zeilinger eine Verschränkung der bisher größten Quantenzahlen erzeugt und vermessen haben. Und hübsch anzusehen ist sie tatsächlich, die Falschfarben-Aufnahme eines Lasers, der sich in einer Überlagerung aus 100 rechts- und 100 linkshändigen Drehimpulsquanten befindet. Ganz neue Lichtzustände haben auch Physiker der TU Darmstadt erzeugt: Ihre Superlumineszenzdiode emittiert Licht, das in einem neuartigen Hybridzustand zugleich thermisch und kohärent ist.
Und auch Nachrichten von der Tarnkappenfront konnten 2012 nicht fehlen. Nachdem in den letzten Jahren nur die zweidimensionale optische Tarnung von Gegenständen einigermaßen glückte, haben nun Wissenschaftler der University of Texas die erste 3D-Tarnkappe im freien Raum vorgestellt. Ihr Geheimnis ist ein plasmonisches Metamaterial, das elektromagnetische Wellen genau gegensätzlich reflektiert wie normale Objekte. Bisher funktioniert diese Tarnkappe leider nur im Mikrowellenbereich. Doch nicht nur Metamaterialien, auch die Raum-Zeit-Symmetrie kann unsichtbar machen, zeigten Forscher aus Erlangen und den USA sowohl theoretisch als auch experimentell. In den entsprechenden Materialien breitet sich das Licht grundsätzlich anders aus, teilweise bewegen sich die Flanken von Lichtpulsen sogar mit Überlichtgeschwindigkeit.
Nicht ganz so phantastisch sind Bessel-Strahlen, doch dafür lassen diese sich ganz praktisch nutzen. Die Strahlen mit konzentrischem Profil, die im Gegensatz beispielsweise zu Gaußstrahlen keiner Beugung unterworfen sind, erweitern die Möglichkeiten optischer Pinzetten und damit auch der Beförderung von Teilchen. Bessel-Strahlen können aber auch die Mikroskopie dichter Materialien verbessern. Denn nach einer Störung wie der Streuung an Materie können sie sich selbst rekonstruieren. Dadurch erlaubt die Mikroskopie mit Bessel-Strahlen, tiefer in die zu untersuchende Probe einzudringen, etwa in ein Tumorgewebe.
A propos Mikroskopie: Hier sind vor allem Neuigkeiten im Abbilden lebendiger Proben zu verzeichnen. Beispielsweise stellten Forscher im Mai ein neues Mikroskopieverfahren vor, bei dem das Objekt nur punktförmig beleuchtet wird. Aus einer Bilderserie mit unterschiedlicher Beleuchtung wird dann ein Gesamtbild erstellt. Durch eine Variation der Tiefenschärfe lässt sich sogar ein dreidimensionales Bild erhalten, in die Tiefe beträgt die Auflösung 400, in der Ebene sogar 145 Nanometer. Im Oktober meldete dann auch Zeiss eine neue Mikroskopietechnik: Mit Lightsheet Z.1 lassen sich lebendige Proben über Tage hinweg bei geringer Lichtbelastung beobachten und somit dynamische Prozesse in ihrer Gänze verfolgen.
Abb.: Unter grünem Fluoreszenzlicht lassen sich die Zellstrukturen, hier die Mikrotubuli, an lebenden Fischembryonen beobachten. (Bild: NIH, KIT)
Um eine neuartige Auswertung einer Serie von Mikroskopiebildern geht es bei einer Methode, die US-Forscher im November vorstellten: der Algorithmus der dispersion-relation fluorescence spectroscopy verfolgt fluoreszenz-Markierte Moleküle und kann automatisch zwischen gerichtetem Transport in der Zelle und diffuser Bewegung unterscheiden. Grundsätzlich werden auch Lichtmikroskope immer noch präziser: Ebenfalls im November gelang es Wissenschaftlern, die Orientierung und genaue Position einzelner Farbstoffmoleküle zu bestimmen, selbst bei einem fixem Übergangsdipolmoment eines Moleküls, das normalerweise die exakte Positionsbestimmung erschwert.
Auch im Anwendungsbereich gab es gute Neuigkeiten aus der Mikroskopie. So ist per Konfokalmikroskopie mittlerweile die externe in-vivo-Bestimmung von Blutwerten möglich. In ländlichen Gegenden oder auch im Feldeinsatz lässt sich damit in Echtzeit ein Blutbild erstellen. Und auch durch die Qualitätsüberprüfung von Lebensmitteln lassen sich unter Umständen Leben retten. Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme in Dresden hat ein kleines, handliches Nahinfrarot-Spektrometer entwickelt, das Kunden an ein Smartphone anschließen können und mit dessen Hilfe schon vor dem Kauf entscheiden können, ob die Birne noch frisch und das Fleisch noch nicht vergammelt ist. Klingt gut! Nur könnte das Gerät unter dem Weihnachtsbaum für familiären Unfrieden sorgen, wenn Omas Weihnachtsstollen den Test nun auch amtlich nicht besteht…
Laura Hennemann
